D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
Dvilypis integralas
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
Polinės koordinatės
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ
Metodas
Dalinei išvestinei kitą kintamąjį laikykite konstanta ir naudokite vieno kintamojo taisykles.
Gradiento uždaviniuose taške apskaičiuokite ∇f = (fx, fy); stačiausiam nuolydžiui naudokite |∇f|, o išvestinei pagal kryptį – ∇f·u su vienetiniu vektoriumi u.
Ekstremumams kartu išspręskite fx = 0 ir fy = 0, tada kiekvieną tašką klasifikuokite pagal D = fxx·fyy − fxy².
Dvilypiam integralui nubraižykite sritį, pasirinkite tvarką (arba polines koordinates skrituliams), kad vidinės ribos būtų ribojančios kreivės, ir integruokite pirmiausia vidų.
Sekos ir eilutės
Aritmetinė seka
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Geometrinė seka
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Begalinė geometrinė eilutė
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p eilutė
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
D’Alambero kriterijus
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Konvergavimo spindulys
R = lim |ck/ck+1|
Teiloro polinomas
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Maklorino eilutė
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Sumoms naudokite Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r) arba S = a₁/(1 − r), kai |r| < 1, kur a₁ yra pirmasis sumos narys.
Konvergavimui: pirmiausia būtinoji sąlyga, tada palyginkite su Σ1/kᵖ ar geometrine eilute, o faktorialams ir k-tiesiems laipsniams naudokite d’Alambero ar Koši kriterijų.
Teiloro polinomams išvardykite f(a), f′(a), f″(a), …, k-ąją išvestinę padalykite iš k! ir paklaidą įvertinkite M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.
Nubraižykite abu signalus ir pažymėkite, kur kiekvienas nelygus nuliui.
Apverskite h ir stumkite: kiekvienam išėjimo laikui raskite sritį, kurioje abu signalai persidengia.
Dauginkite ir sudėkite (diskrečiuoju atveju) arba dauginkite ir integruokite (tolydžiuoju atveju) tik toje persidengimo srityje.
Patikrinkite rezultatą: išėjimas prasideda pradžios laikų suma, baigiasi pabaigos laikų suma, o jo plotas ar suma lygi įėjimų plotų ar sumų sandaugai.
2Uždaviniai
1.Diferencialinės lygtysVidutinis
Išspręskite y″ + 6y′ + 9y = 0, kai y(0) = 2 ir y′(0) = 1. Raskite y(1).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 2y′(0) = 1
y(1) =
2.Diferencialinės lygtysSunkus
Talpoje yra 400 L gryno vandens. Sūrymas, kurio litre yra 0,25 kg druskos, įteka 4 L/min greičiu, o gerai išmaišytas tirpalas tokiu pat greičiu išteka. Kiek druskos m bus talpoje po 70 min?
V = 400 Lm0 = 0 kgc = 0,25 kg/Lr = 4 L/min
m = kg
3.Matricos ir determinantaiVidutinis
Raskite pateiktos 3×3 matricos A determinantą det A.
A = [−4 −2 3; −5 4 4; −5 5 0]
det A =
4.Matricos ir determinantaiSunkus
Raskite pateiktos matricos A didesnę tikrinę reikšmę λ.
A = [−3 1; 4 0]
λ =
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis
Raskite vektoriaus a = (−5, 4, 2) skaliarinę projekciją compb a į b = (6, −1, −4), t. y. a komponentę b kryptimi.
a = (−5, 4, 2)b = (6, −1, −4)
compb a =
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus
Raskite trikampio, kurio viršūnės A(−2, 3, 0), B(1, −1, −1) ir C(−2, 1, −4), plotą A. Koordinatės pateiktos metrais.
A(−2, 3, 0)B(1, −1, −1)C(−2, 1, −4)
A = m²
7.IntegralaiVidutinis
Apskaičiuokite I = ∫₀1 x·sin x dx (x radianais).
∫₀1 x·sin x dx
I =
8.IntegralaiSunkus
Sritis tarp tiesės y = 5x ir parabolės y = 2x² sukama apie x ašį. Raskite kūno tūrį V.
Atpažinkite eilutę ir raskite jos sumą: S = Σk=0∞ (−2)ᵏ/k!.
ak = (−2)ᵏ/k!
S =
13.Laplaso transformacijosVidutinis
Raskite f(t), kai F(s) = (3s + 20)/(s² + 10s + 25), ir apskaičiuokite f(0,2).
F(s) = (3s + 20)/(s² + 10s + 25)t = 0,2 s
f(0.2) =
14.Laplaso transformacijosSunkus
Laplaso transformacija išspręskite y″ + 8y′ + 12y = 0, kai y(0) = 10 ir y′(0) = 13, ir raskite y(0,3).
y″ + 8y′ + 12y = 0y(0) = 10y′(0) = 13t = 0,3 s
y(0.3) =
15.Sąsūka ir LTI sistemosVidutinis
Sistemos impulsinė charakteristika h(t) = e−4tu(t). Įėjimas yra šuolis x(t) = 1·u(t). Raskite išėjimą y(0,1), kai t = 0,1 s.
h(t) = e−4tu(t)x(t) = 1·u(t)t = 0,1 s
y(0.1) =
16.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Įėjimas x(t) = 5·cos(4t) paduodamas į sistemą, kurios h(t) = 2·e−2tu(t). Raskite nusistovėjusio išėjimo fazę φ įėjimo atžvilgiu laipsniais.
h(t) = 2e−2tu(t)x(t) = 5cos(4t)
φ = °
3Tirpalai
1.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: y(1) = 0,4481
Antros eilės tiesinės lygtys: lygčiai y″ + b·y′ + c·y = 0 bandykite y = ert: gaunama charakteristinė lygtis r² + b·r + c = 0. Dvi skirtingos realiosios šaknys r₁ ≠ r₂ duoda y = A·er₁t + B·er₂t (viršslopinamas atvejis); dviguba šaknis r duoda y = (A + Bt)·ert (kritinis slopinimas); kompleksinės šaknys −α ± jω duoda y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (nepakankamas slopinimas, virpesiai). Pradinės vertės y(0) ir y′(0) nustato A ir B. Užrašius y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn yra savasis dažnis, o ζ – slopinimo santykis: kai ζ < 1, atsiranda virpesių. Esant pastoviam įėjimui, y″ + by′ + cy = c·K, sprendinys yra nusistovėjusi vertė K plius laisvoji dedamoji.
Dviguba šaknis
(r + 3)² = 0 → r = −3
Konstantos
A = y(0) = 2
y′(0) = B − 3A → B = 1 + 6 = 7
Apskaičiuokite
y(1) = (2 + 7·1)·e−3 = 0,4481
Atsakymas
y(1) = 0,4481
2.Diferencialinės lygtys
Atsakymas: m = 50,34 kg
Pirmos eilės diferencialinės lygtys: lygties dy/dt = k·y sprendinys yra y = y₀·ekt (augimas, kai k > 0, mažėjimas, kai k < 0); pusėjimo trukmė T duoda k = ln 2/T. Niutono aušimo dėsnis dT/dt = −k·(T − Tₐ) duoda T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Tiesinė lygtis y′ + p(x)·y = q(x) sprendžiama su integruojančiuoju daugikliu μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, todėl μy = ∫μq dx + C.
Sudarykite lygtį
dm/dt = 4·0,25 − (4/400)·m = 1 − 0,01·m
Išspręskite
Integruojantysis daugiklis yra ert/V; sprendinys artėja prie pusiausvyrinės reikšmės c·V.
m(t) = 100 + (−100)·e−t/100
Įstatykite t
m(70) = 100 + (−100)·0,4966 = 50,34 kg
Atsakymas
m = 50,34 kg
3.Matricos ir determinantai
Atsakymas: det A = 105
Matricos: 2×2 matricos determinantas yra ad − bc. 3×3 atveju skleiskite pagal eilutę: kiekvienas elementas dauginamas iš 2×2 matricos, likusios išbraukus jo eilutę ir stulpelį, determinanto, su besikeičiančiais ženklais + − +. Tikrinės reikšmės λ tenkina det(A − λI) = 0; 2×2 atveju tai λ² − (pėdsakas)·λ + det = 0.
Pirmosios eilutės 2×2 minorai
M₁₁ = −20, M₁₂ = 20, M₁₃ = −5
Skleidinys pagal eilutę
det A = (−4)·(−20) − (−2)·20 + 3·(−5) = 105
Atsakymas
det A = 105
4.Matricos ir determinantai
Atsakymas: λ = 1
Matricos: 2×2 matricos determinantas yra ad − bc. 3×3 atveju skleiskite pagal eilutę: kiekvienas elementas dauginamas iš 2×2 matricos, likusios išbraukus jo eilutę ir stulpelį, determinanto, su besikeičiančiais ženklais + − +. Tikrinės reikšmės λ tenkina det(A − λI) = 0; 2×2 atveju tai λ² − (pėdsakas)·λ + det = 0.
Charakteringoji lygtis
λ² − (−3)λ + (−4) = 0
Išspręskite
λ = (−3 ± √(25))/2 → λ = −4, 1
λ = 1
Atsakymas
λ = 1
5.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: compb a = −5,769
Dot product:a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, a scalar. It gives the angle between two vectors, cos θ = a·b/(|a|·|b|), and it is zero when they are perpendicular. The scalar projection of a onto b is a·b/|b|, and a constant force F moving through a displacement d does work W = F·d.
Skaliarinė sandauga
a·b = (−5)·6 + 4·(−1) + 2·(−4) = −42
b ilgis
|b| = √(6² + (−1)² + (−4)²) = 7,28
Skaliarinė projekcija
compb a = a·b/|b| = −42/7,28 = −5,769
Atsakymas
compb a = −5,769
Neigiama: a turi komponentę, nukreiptą prieš b.
6.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga
Atsakymas: A = 9,695 m²
Cross product:a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) is perpendicular to both vectors, and |a × b| = |a|·|b|·sin θ is the area of the parallelogram they span (the triangle has half of it). Order matters: b × a = −(a × b). The moment of a force F applied at point A about point O is MO = r × F, with r = A − O.
Integravimas dalimis: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, išplaukia iš sandaugos diferencijavimo taisyklės. Kaip u rinkitės dauginamąjį, kuris diferencijuojant tampa paprastesnis (x laipsnį ar ln x), o kaip dv – dauginamąjį, kurį galite suintegruoti (eˣ, sin x, cos x arba x, kai u = ln x). Apibrėžtiniam integralui u·v apskaičiuokite abiejose ribose: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Dauginamajam x² reikia dviejų ciklų.
Pasirinkite u ir dv
u = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x
Pirmykštė funkcija
∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x
Ribos
(−1·cos 1 + sin 1) − (0 + 0) = 0,3012
Atsakymas
I = 0,3012
8.Integralai
Atsakymas: V = 163,6
Sukimosi kūnų tūriai: sritį po kreive y = f(x) nuo x = a iki x = b sukant apie x ašį, gaunamas kūnas, kurio pjūvis ties x yra skritulys, kurio spindulys f(x). Sudėjus skritulius, gaunama V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Kai sritis yra tarp išorinės kreivės R(x) ir vidinės kreivės r(x), kiekvienas sluoksnis yra žiedas: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Spindulius pakelkite kvadratu prieš atimdami.
Susikirtimo taškai
5x = 2x² → x = 0, x = 2,5
Žiedų metodas
V = π∫₀2,5 ((5x)² − (2x²)²) dx
Integruokite
V = π(25·2,5³/3 − 4·2,5⁵/5) = π·52,08 = 163,6
Atsakymas
V = 163,6
9.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: dz/dt = 158
Gradientas: ∇f = (fx, fy) nukreiptas stačiausio kilimo kryptimi, o |∇f| yra didžiausias kitimo greitis. Išvestinė kryptimi v yra Duf = ∇f·u su vienetiniu vektoriumi u = v/|v|. Liečiamoji plokštuma taške (a, b) yra z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b); ji duoda tiesinę f aproksimaciją šalia to taško. Sudėtinės funkcijos taisyklė: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.
Taškas ir greičiai
x(−1) = 2, y(−1) = −2
dx/dt = −1, dy/dt = −4t = 4
Dalinės išvestinės
fx = −3x²y² − 15x² − 3y = −102
fy = −2x³y − 3y² − 3x = 14
Grandinės taisyklė
dz/dt = (−102)·(−1) + 14·4 = 158
Atsakymas
dz/dt = 158
10.Kelių kintamųjų diferencialinis skaičiavimas
Atsakymas: I = 14,66
Kritiniai taškai ir dvilypiai integralai: kritiniame taške fx = fy = 0. Antros eilės išvestinių testas su D = fxxfyy − fxy²: D > 0 ir fxx > 0 yra lokalusis minimumas, D > 0 ir fxx < 0 – lokalusis maksimumas, D < 0 – balno taškas, o D = 0 nieko nenusprendžia. Dvilypiam integralui bendrojoje srityje vidinėmis ribomis imkite sritį ribojančias kreives; skritulių ir išpjovų atveju naudokite polines koordinates, x = r cos θ, y = r sin θ ir dA = r dr dθ (nepamirškite daugiklio r).
Polinė forma
I = ∫02π ∫12 r·r dr dθ
Integruokite
∫ r·r dr = [r³/3]
I = 14,66
Atsakymas
I = 14,66
11.Sekos ir eilutės
Atsakymas: B: Σ k/2ᵏ
Konvergavimas: jei nariai nesiekia 0, eilutė diverguoja (būtinoji sąlyga). Σ1/kᵖ konverguoja tik kai p > 1, o Σrᵏ – tik kai |r| < 1. Eilutę palyginkite su viena iš šių, kai jos nariai dideliems k elgiasi panašiai. D’Alambero kriterijus: L = lim |ak+1/ak|; Koši šaknies kriterijus: L = lim |ak|1/k. L < 1 konverguoja, L > 1 diverguoja, L = 1 nieko nenusprendžia. Laipsninė eilutė Σck(x − x₀)ᵏ konverguoja, kai |x − x₀| < R, kur R = lim |ck/ck+1|; alternuojančioji eilutė, kurios nariai mažėja iki 0, konverguoja.
Patikrinkite kiekvieną eilutę
A: Σ k/(k + 2) → Nariai artėja prie 1, o ne prie 0: diverguoja pagal būtinąją sąlygą.
C: Σ ln k / k → Didesnė už 1/k, kai k ≥ 3: diverguoja pagal palyginimą su harmonine eilute.
D: Σ 1/(4k + 7) → Dideliems k elgiasi kaip 1/(4k); palyginus su harmonine eilute, diverguoja.
Atsakymas
B: Σ k/2ᵏ
Atsakymas
B: Σ k/2ᵏ
12.Sekos ir eilutės
Atsakymas: S = 0,1353
Teiloro polinomai: prie x = a glodi funkcija aproksimuojama Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; kai a = 0, tai Maklorino polinomas. Standartinės eilutės: eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …, cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …, ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …, 1/(1 − x) = Σxᵏ. Lagranžo paklaidos įvertis: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, kur M yra didžiausia |f⁽ⁿ⁺¹⁾| reikšmė tarp a ir x.
Standartinės eilutės
Σ xᵏ/k! = eˣ
Įstatykite
x = −2
S = e−2 = 0,1353
Atsakymas
S = 0,1353
13.Laplaso transformacijos
Atsakymas: f(0.2) = 1,472
Laplaso transformacija: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt išvestines paverčia daugyba iš s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standartinės poros: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), o postūmis s → s + σ laiko funkciją padaugina iš e−σt. Norėdami atlikti racionaliosios F(s) atvirkštinę transformaciją, išskaidykite ją į paprastąsias trupmenas: paprastojo poliaus p reziduumas yra A = [(s − p)·F(s)] ties s = p. Galutinės vertės teorema: f(∞) = lims→0 s·F(s), galioja tik tada, kai visi s·F(s) poliai yra kairiojoje pusplokštumėje. Pradinės vertės teorema: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Išskaidykite vardiklį dauginamaisiais
s² + 10s + 25 = (s + 5)²
Paprastosios trupmenos
3s + 20 = 3(s + 5) + 5
F(s) = 3/(s + 5) + 5/(s + 5)²
Atvirkštinė transformacija
f(t) = 3·e−5t + 5·t·e−5t
f(0,2) = (3 + 5·0,2)·e−5·0,2 = 1,472
Atsakymas
f(0,2) = 1,472
14.Laplaso transformacijos
Atsakymas: y(0.3) = 8,652
Laplaso transformacija: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt išvestines paverčia daugyba iš s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standartinės poros: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), o postūmis s → s + σ laiko funkciją padaugina iš e−σt. Norėdami atlikti racionaliosios F(s) atvirkštinę transformaciją, išskaidykite ją į paprastąsias trupmenas: paprastojo poliaus p reziduumas yra A = [(s − p)·F(s)] ties s = p. Galutinės vertės teorema: f(∞) = lims→0 s·F(s), galioja tik tada, kai visi s·F(s) poliai yra kairiojoje pusplokštumėje. Pradinės vertės teorema: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Transformuokite lygtį
s²Y − 10s − 13 + 8(sY − 10) + 12Y = 0
Y(s) = (10s + 93)/((s + 2)(s + 6))
Paprastosios trupmenos
A = 73/4 = 18,25
B = 33/(−4) = −8,25
Rezultatas
y(t) = 18,25·e−2t − 8,25·e−6t
y(0,3) = 8,652
Atsakymas
y(0,3) = 8,652
Patikra: y(0) = A + B = 10.
15.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: y(0.1) = 0,08242
Tolydžioji sąsūka: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Apverskite h, pastumkite į padėtį t ir suintegruokite persidengiančių dalių sandaugą. Priežastiniams signalams integralas skaičiuojamas nuo 0 iki t. Naudingi rezultatai: y plotas lygus x ploto ir h ploto sandaugai; jei x trunka nuo t₁ iki t₂, o h nuo t₃ iki t₄, tai y trunka nuo t₁ + t₃ iki t₂ + t₄. Kai h(t) = e−atu(t), o šuolio aukštis A, y(t) = (A/a)(1 − e−at).
Sąsūka su šuoliu
y(t) = 1·∫₀ᵗ e−4τ dτ = (1/4)·(1 − e−4t)
Apskaičiuokite
y(0,1) = 0,25·(1 − e−0,4) = 0,08242
Atsakymas
y(0,1) = 0,08242
16.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: φ = −63,43 °
Impulsinė charakteristika ir Furjė eilutė: impulsinė charakteristika h(t) visiškai aprašo LTI sistemą: lygčiai y′ + a·y = b·x ji yra h(t) = b·e−atu(t), o lygčiai y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] ji yra h[n] = b·aⁿu[n]. Sinusoidė cos ωt praeina su stiprinimu |H(jω)| ir faze ∠H(jω), kur H yra h Furjė transformacija. Periodinis signalas yra harmonikų, kurių dažnis k/T, suma: ±A stačiakampė banga turi tik nelygines harmonikas, kurių amplitudės 4A/(kπ), A pikinės vertės trikampė banga turi 8A/(π²k²), o A aukščio ir pildymo koeficiento D impulsų seka turi vidurkį A·D ir harmonikas (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.